Co trzeba wiedzieć o MIDI.pdf

EiS 2003-03

TECHNOLOGIA

Co trzeba wiedzieć o MIDI

Artur Kraszewski

MIDI obchodzi właśnie 20-lecie swego powstania, jest więc jednym z najstarszych obecnie

obowiązujących w technologii muzycznej standardów. Jego popularność nie maleje, co więcej -

ciągle zdobywa nowych zwolenników i użytkowników.

W poniższym artykule zbierzemy w jedną całość podstawowe informacje, które mogą okazać się

przydatne w przypadku osób wykorzystujących MIDI w swojej pracy z dźwiękiem. Zaczniemy od

początku, a zatem:

czym jest MIDI? Najprościej rzecz ujmując jest to format

jednokierunkowego przesyłania danych, zawierających

informacje o charakterze muzycznym. Nie są to jednak dane

audio, a jedynie komunikaty w postaci cyfrowej, informujące

urządzenie odbiorcze o tym, że został wyzwolony dźwięk o

określonej wysokości, czasie trwania, dynamice i innych

parametrach uwzględnionych w specyfikacji MIDI.

MIDI zostało wymyślone po to, by przenosić określone zbiory

poleceń. Idea tego formatu była taka, że grając na jednym

instrumencie wyposażonym w MIDI można sterować innym

instrumentem dzięki poleceniom note-on i note-off (włączenie i

wyłączenie nuty). Każdej informacji note-on towarzyszy

komunikat Velocity, który zawiera w sobie informację o sile nacisku na dany klawisz. MIDI

uwzględnia jeszcze szereg innych parametrów charakteryzujących dany dźwięk, takich jak

wysokość tonu, modulacja dźwięku itp. Od chwili swego powstania MIDI było systematycznie

wzbogacane, umożliwiając coraz wierniejsze przenoszenie treści muzycznych, z natury rzeczy

dość opornie poddających się wszelkiego typu standardom. Jednak oryginalna specyfikacja MIDI

nigdy nie została zmieniona, dlatego nawet instrumenty z początku ery MIDI, choć pozbawione

szeregu współcześnie stosowanych funkcji, współpracują z każdym obecnie produkowanym

urządzeniem.

Transmisja danych MIDI odbywa się w formacie szeregowym,

czyli bit za bitem z szybkością 31.250 bitów na sekundę. To

wystarczająco szybko, by tą metodą przekazać ilość danych

towarzyszących nawet najbardziej wyrafinowanym wykonaniom

muzycznym.

Teraz trochę liczb. Na przesłanie pojedynczej informacji MIDI

note-on potrzeba ok. 1 milisekundy (dokładniej 0,96ms). W

przypadku MIDI każdy bajt składa się z dziesięciu bitów, a

informacja note-on zajmuje trzy bajty (pierwszy to numer kanału

będący częścią bajtu statusu, drugi to numer nuty, a trzeci to

velocity - szybkość nacisku klawisza). Przesłanie informacji o

naciśnięciu 10-głosowego akordu zajmie 10ms: komunikat

opisujący dziesiątą nutę w akordzie dotrze do odbiornika 10

milisekund po odebraniu komunikatu opisującego pierwszą nutę.

Sterując urządzenie generujące dźwięki (np. moduł

brzmieniowy) z klawiatury sterującej MIDI trzeba brać to

opóźnienie pod uwagę, ale nawet grając najbardziej wymyślne

akordy nigdy nie uderzamy wszystkich dźwięków z idealną

precyzją, stąd jego wpływ na stronę wykonawczą jest praktycznie rzecz biorąc pomijalny.

Nieco inaczej sprawa wygląda w przypadku przesyłaniu komunikatów MIDI wewnątrz komputera,

gdzie nie występują żadne ograniczenia wynikające z konieczności transmisji szeregowej "po

kablu". Oczywiście należy liczyć się z pewną zwłoką w reakcji aplikacji odbierającej komunikat

MIDI (syntezatora programowego) od aplikacji nadawczej (sekwencera MIDI), ale owe opóźnienie

nawet w przypadku powolnych komputerów nie powinno przekroczyć 2ms. Jeśli jednak gramy na

klawiaturze MIDI wyzwalając dźwięki w zainstalowanym w komputerze syntezatorze wirtualnym,

wówczas oprócz opóźnienia w przesłaniu danych z klawiatury do syntezatora należy wziąć pod

uwagę tzw. latencję, czyli czas potrzebny komputerowi na przeliczenie danych wygenerowanych

przez syntezator i wyemitowanie dźwięku na wyjściu karty dźwiękowej. Choć współczesne

interfejsu audio potrafią zejść z poziomem latencji do 1.5ms, to jednak w praktyce latencja rzędu

10ms jest całkiem przyzwoitym wynikiem. Sumując to z kolejnymi 10ms, wynikającymi z czasu

transmisji szeregowej z klawiatury do komputera, otrzymujemy 20ms i jednocześnie odpowiedź na

pytanie, dlaczego niektórzy bardziej wymagający instrumentaliści nie przepadają za grą z

wykorzystaniem instrumentów wirtualnych zainstalowanych w komputerze, preferując rozwiązania

sprzętowe.

Kanały w MIDI odgrywają taką samą rolę jak kanały w telewizorze podłączonym do sieci

kablowej - na każdym można przesłać inną informację. Mając telewizor z podglądem wielu

kanałów, można oglądać wiele kanałów jednocześnie. Odpowiednikiem takiego telewizora z

możliwością równorzędnego podglądu wielu kanałów jest w świecie MIDI syntezator (lub moduł

czy sampler) multitimbralny. W przypadku MIDI pojedynczym kablem lub za pośrednictwem

wirtualnego portu MIDI można przesłać do 16 kanałów, z których każdy - trzymając się analogii

do telewizji kablowej - zawiera inną treść, czyli w naszym wypadku opisuje co ma grać dany

instrument zarówno w sferze pojedynczych dźwięków jak i całych akordów. Zadaniem

użytkownika jest określenie tych samych kanałów po stronie odbiorczej i nadawczej. Chodzi o to,

że kanał, na którym przesyłamy informacje o grze perkusji, musi sterować tym blokiem syntezatora

lub samplera, który odpowiada za odtwarzanie dźwięków perkusji, a nie np. fortepianu.

Chcąc w swej aranżacji wykorzystać więcej niż 16 instrumentów, musisz skorzystać z

dodatkowego portu MIDI - w świecie fizycznym jest to dodatkowe gniazdo MIDI, a w świecie

wirtualnym kolejny port, którego nazwę powinieneś znaleźć w opcjach ustawień sekwencera i

programowego syntezatora/samplera. Chcąc za pośrednictwem MIDI odtwarzać partię, do

wykonania której potrzebne są 64 instrumenty, musisz dysponować czterema portami MIDI -

zarówno po stronie sterowania jak i odtwarzania.

Coraz więcej współcześnie produkowanych instrumentów wyposażonych jest w interfejs USB,

który pozwala na transmisję znacznie większej liczby kanałów za pośrednictwem jednego kabla,

bez kłopotliwych wielokrotnych połączeń. USB ma jednak rację bytu w przypadku transmisji do i z

komputera; jeśli chcemy podłączyć klawiaturę sterującą ze sprzętowym modułem lub

syntezatorem, to w dalszym ciągu będziemy potrzebować kabli i gniazd MIDI.

General MIDI to standard wprowadzony do użycia w 1991 roku. Wprawdzie od chwili

rozpowszechnienia syntezatorów wirtualnych coraz bardziej traci on na znaczeniu, jednak warto

przypomnieć sobie, czym jest i do czego może być potrzebny.

Od samego początku występował problem współpracy pomiędzy różnymi urządzeniami MIDI,

ponieważ każdy producent używał własnej metody zapisu programów w pamięci. Informacja MIDI

o numerze programu np. 18 w jednym syntezatorze uruchamiała dźwięk fletu, w innym organy

Hammonda, a w jeszcze innym - zestaw perkusyjny. Sprawa nabrała znaczenia, gdy pomiędzy

różnymi studiami nagraniowymi i twórcami zaczęły krążyć dyskietki zarejestrowane w systemie

SMF (Standard MIDI Files - patrz niżej). To spowodowało zintensyfikowanie prac nad ustaleniem

wspólnego standardu, który został określony mianem General MIDI (GM). General MIDI

wprowadził listę 128 brzmień, które w każdym syntezatorze kompatybilnym z tym standardem

muszą odpowiadać za barwę konkretnego instrumentu bądź efektu. I tak - pierwsze sześć

programów to różne odmiany brzmienia typu Piano, od 16 do 20 mamy różnego typu organy, od

24 do 32 - gitary, od 32 do 39 - basy, itd. aż do 128. Aranżer, który zapisał swoje pomysły za

pomocą sekwencera w standardzie SMF, może być pewien, że po odtworzeniu na innym

instrumencie, ustawiony przez niego slap electric bass będzie brzmiał przynajmniej podobnie (choć

z tym akurat bywa różnie - trudno od instrumentu za 600 zł wymagać, by jego bank General MIDI

brzmiał tak, jak w instrumencie za 6.000 zł). Coraz częściej można spotkać się (szczególnie w

przypadku banków brzmień dla samplerów) z zestawami General MIDI, w których poszczególne

brzmienia są znakomicie spróbkowanymi instrumentami oryginalnymi, a nie ich syntetycznymi

odpowiednikami, których plastikowe brzmienie kojarzono z tanimi instrumentami klasy keyboard.

Oprócz zgodności brzmień GM ma swoje dodatkowe wymagania. Instrumenty GM muszą

dysponować co najmniej 24-głosową polifonią i muszą współpracować z 16 kanałami MIDI

jednocześnie. Zestaw perkusyjny musi mieć określony strój - bęben centralny (stopa) w niskim C,

werbel w D, itd., a jednocześnie musi odpowiadać perkusyjnej części MIDI na kanale 10.

Parametry, których GM nie narzuca, to górne możliwości danego instrumentu. Może on mieć

dowolną polifonię powyżej 24 i dowolną liczbą programów powyżej 128, a mimo to w dalszym

ciągu będzie sklasyfikowany jako instrument kompatybilny z GM.

Choć General MIDI nie ma już takiego znaczenia jak kiedyś (zresztą jego pozycja jako standardu

zawsze była dość niepewna), to jednak w dalszym ciągu jest chętnie stosowane właśnie z uwagi na

to, iż zachowuje główną myśl aranżacyjną zawartą w utworze. Plik zapisany w standardzie SMF i

odtwarzany na różnych instrumentach jest jak dyrygent, który dyryguje różnie brzmiącymi

orkiestrami, ale zawsze o tym samym składzie instrumentalnym. I o to w tym wszystkim chodziło.

Sekwencer MIDI jest elektronicznym odpowiednikiem pozytywek na taśmy perforowane i

występuje zarówno w postaci programowej jak i sprzętowej. Sekwencer nie rejestruje samych

dźwięków, lecz dane określające owe dźwięki - na podobieństwo perforowanej taśmy papierowej

stosowanej w pozytywkach. Jeżeli umieścisz taśmę perforowaną w rozstrojonej pozytywce lub w

pozytywce z brakującymi strunami, otrzymasz dźwięk zmieniony, nawet gdy taśma jest taka sama

jak poprzednio. W ten sam sposób sekwencer wysyła polecenia w formie komunikatów MIDI do

modułu odbiorczego, syntezatora czy samplera.

Praca z sekwencerem przypomina trochę pracę komputerowego edytora tekstów. Tak jak w

edytorze możesz pisać, przenosić i wycinać bloki liter (w przypadku MIDI odpowiednikiem liter są

nuty). Możesz zmienić wygląd, wielkość pisma, przenosić dane lub zachowywać je na dysku.

Sekwencer musi mieć jednak większe możliwości niż przeciętny edytor tekstu, ponieważ

informacja MIDI zawiera w sobie dużo więcej treści niż tekst. Sekwencer organizuje swoje

informacje muzyczne w postaci ścieżek, przez co upodabnia się do wielośladu. Każda ścieżka jest

zazwyczaj pojedynczym kanałem MIDI - na podobieństwo partii piana lub basu w partyturze.

Ścieżki mogą być wyłączane (tak jak w wielośladzie) i w ten sposób słyszysz tylko te partie, które

Cię w danym momencie interesują.

Podstawową metodą edycji w sekwencerze jest kwantyzacja, używana do automatycznego

wyrównania w czasie pojedynczych nut. Sekwencer robi to przez przesuwanie każdej nuty w

czasie do przodu lub do tyłu, tak by umieścić ją dokładnie w rytmie. Użytkownik sam definiuje

siatkę kwantyzacji, czyli decyduje o wartości najmniejszej jednostki tempa muzycznego

rozpoznawanego przez sekwencer. Aby wykonywać tę czynność - podobnie jak i wiele pozostałych

- sekwencer musi posiadać wewnętrzny zegar dający punkt odniesienia i stabilną bazę czasową.

Częstotliwość zegara sekwencera podaje się w jednostkach zwanych PPQ (pulses per quarter-notes

- impulsy na ćwierćnutę), która waha się od 24 do 960.

Sekwencery

MIDI pozwalają na bardzo zaawansowaną edycję kontrolerów towarzyszących zdarzeniom MIDI.

Można je edytować liczbowo przez wpisywanie odpowiednich wartości lub znacznie bardziej

intuicyjnie, po prostu kreśląc narzędziem ołówka ich oczekiwany przebieg. Oto okno edytora

pianolowego programu Cubase. W dolnym rzędzie znajdują się pionowe paski, pokazujące

aktualną wartość kontrolerów (od 0 do 127) dla poszczególnych dźwięków. Z rozwijanego menu

wybieramy rodzaj kontrolerów, który chcemy w danym momencie edytować.

Standard MIDI Files (SMF) to sposób wymiany informacji pomiędzy jednym sekwencerem a

drugim, będący czymś na kształt jednolitego formatu zapisu tekstu w przypadku edytorów, jakim

jest np. RTF czy TXT. Każdy sekwencer używa własnego formatu do zapisywania informacji na

dysku i do rzadkości należą wypadki, gdy sekwencer wyprodukowany przez jedną firmę może bez

konwersji czytać pliki stworzone na sekwencerze innej firmy. Jednak większość sekwencerów ma

możliwość zapisu i odtwarzania danych w standardzie SMF. Niektóre typy informacji są

charakterystyczne tylko dla danego typu sekwencera i zostaną utracone w procesie konwersji, lecz

informacje o charakterze typowo muzycznym pozostaną niezmienione. SMF jest zwykle używany

jako platforma wymiany danych między różnego typu programami komputerowymi, sprzętowymi

sekwencerami i urządzeniami (keybordami, stacjami roboczymi) MIDI.

Oryginalna specyfikacja MIDI zakładała istnienie trzech typów SMF: 0, 1 i 2, ale obecnie

stosowane są tylko dwa pierwsze. W przypadku SMF w formacie 0 wszystkie informacje zapisane

są na jednej ścieżce. Ponieważ każde zdarzenie MIDI zawiera w sobie informację o numerze

kanału, ścieżka taka może być bez problemu rozbita na pojedyncze ścieżki zawierające informacje

o poszczególnych instrumentach wykorzystywanych w aranżacji - np. w przypadku sekwencerów z

rodziny Cakewalk używa się do tego celu skryptu Tracks.CAL. Plik SMF w formacie 1 zawiera

informacje MIDI w formacie wielościeżkowym, włącznie z nazwami poszczególnych ścieżek - i

jest gotowy do natychmiastowego użycia i edycji.

Synchronizacja jest jednym z najważniejszych aspektów współpracy urządzeń lub programów

wykorzystujących do komunikacji protokół MIDI. Najprostszą formą synchronizacji jest

wprowadzona wraz pierwotną specyfikacją MIDI synchronizacja MIDI Sync (MIDI Clock).

Uwzględnia ona transmisję następujących komunikatów: Start (nakazujących urządzeniu

podporządkowanemu rozpoczęcie odtwarzania z chwilą początku songu), Stop (zatrzymujących

odtwarzanie), Continue (nakazujących odtwarzanie od wskazanego miejsca) oraz Song Position

Pointer (nakazujących skok w odtwarzaniu do określonego miejsca w songu). Urządzenie

nadrzędne (Master) wysyła do urządzenia podporządkowanego (Slave) komunikaty zegarowe z

częstotliwością 24 impulsów na ćwierćnutę. MIDI Sync jest bazą czasową zależną od tempa -

jeżeli główny sekwencer przyspiesza, wysyła więcej impulsów na sekundę, co powoduje

przyspieszanie urządzenia Slave.

Jeśli zachodzi potrzeba synchronizacji dźwięku i obrazu należy skorzystać z innego typu

synchronizacji - MIDI Time Code. Jest ona formą synchronizacji SMPTE i odnosi się do czasu

rzeczywistego wyrażonego w godzinach, minutach, sekundach i ramkach. SMPTE jest złożonym

sygnałem audio nagrywanym na specjalnych ścieżkach urządzenia rejestrującego przy pomocy

generatora kodu czasowego (Time Code). Urządzenie odczytujące ten kod może być w każdej

chwili dosynchronizowane do dowolnego miejsca na nośniku, na którym zapisano kod czasowy.

Kod SMPTE nie może być używany do przesyłania za pomocą przewodu MIDI, gdyż MIDI jest

sygnałem cyfrowym. Aby urządzenia MIDI mogły odczytywać SMPTE i dostosowywać się do

niego, muszą być wyposażone w sprzętowy lub programowy konwerter SMPTE na MIDI Time

Code (MTC). MTC jest odpowiednikiem SMPTE, ale zamiast w oparciu o sygnał audio pracuje na

bazie specjalnych komunikatów MIDI. Po otrzymaniu komunikatu MTC sekwencer MIDI

przelicza go na takty, bity i impulsy zegara, które korespondują z odpowiadającymi im jednostkami

czasu rzeczywistego. Synchronizacja MTC nie przenosi zmian tempa.

Ani SMPTE ani MIDI nie są jednak wystarczająco dokładne, by zapewnić dobrą synchronizację w

procesie cyfrowej rejestracji sygnału. Najwyższej jakości urządzenia cyfrowe audio są

synchronizowane wzajemnie za pomocą sygnału zwanego wordclock. Ten sygnał zegarowy jest

zgodny z pojedynczym impulsem próbkującym. Specjalizowane urządzenia używają do

synchronizacji zarówno SMPTE jak i wordclock oraz jakiegoś innego odnośnika

synchronizującego.

Komunikaty MIDI dzielą się na siedem kategorii o różnej funkcjonalności i przeznaczeniu: Note,

Key Aftertouch, Channel Aftertouch, Controller, Program Change, Pitch Bend i System Exclusive.

W ramach kategorii Note sklasyfikowano komunikaty Note On i Note Off, informujące o

włączeniu i wyłączeniu nuty. W niektórych klawiaturach MIDI, oprócz informacji o naciśnięciu i

puszczeniu klawisza, przetwarzane i wysyłane na zewnętrz są komunikaty o sile nacisku -

Aftertouch. Parametr ten może służyć do określenia głośności granego dźwięku, jego modulacji lub

zmian brzmienia. Aftertouch występuje w postaci Key Aftertouch - różny dla poszczególnych

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: